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omment HOX choisit sa cible…

Les protéines codées par les gènes Hox se lient à l’ADN par l’intermé-diaire d’un domaine carboxy-termi-nal très conservé appelé homéodo-maine (pour revue, voir [1]). Ce domaine de 60 acides aminés est constitué d’un bras amino-terminal qui entre en contact avec le petit sillon de la double hélice d’ADN, et de trois hélices α, les hélices 2 et 3 formant un motif hélice-boucle-hélice qui amène l’hélice-boucle-hélice 3 en contact avec le grand sillon de la molécule d’ADN. Un second domaine situé en amont de l’homéo-domaine caractérise les protéines HOX ; ce domaine, appelé motif YPWM* ou hexapeptide, est séparé de l’homéodomaine par une région de taille variable, désorganisée et par conséquent flexible. In vitro, les homéodomaines se fixent sans grande spécificité, sous la forme de monomères, à de courtes séquences d’ADN dont le cœur est TAAT. Ces séquences sont statistiquement très fréquentes dans le génome. Ces don-nées ne rendent pas compte de la très grande spécificité de l’action des protéines HOX in vivo même si l’on peut imaginer une certaine régula-tion de l’accessibilité des cibles géno-miques par la structure de la chroma-tine. Ainsi, l’hypothèse de l’existence de facteurs agissant de concert avec les protéines HOX a-t-elle été soule-vée.

Un gène candidat codant pour un co-facteur des protéines HOX a tout d’abord été identifié chez la droso-phile. Il s’agit du gène extradenticle (exd) dont la mutation, bien que pro-voquant des transformations

homéo-tiques, n’affecte pas l’expression des gènes Hox. Ce gène participe, entre autres, avec le gène Hox Ultrabithorax, à la régulation du gène réalisateur decapentaplegic (dpp) dans le méso-derme viscéral ; les protéines Exd et Ubx se fixent sous la forme d’un hétérodimère sur des séquences cis-régulatrices de dpp. Le gène exd est l’homologue des proto-oncogènes humains pre-B cell homeobox (pbx1, pbx2, pbx3), impliqués dans des trans-locations chromosomiques associées à des leucémies, et du gène ceh-20 de Caenorhabditis elegans. Cette deuxième famille de gènes code également pour des protéines à homéodomaine regroupées sous le terme général de protéines PBC. L’homéodomaine de ces protéines diffère des homéodo-maines classiques par la présence de trois acides aminés supplémentaires à l’extrémité carboxy-terminale de l’hélice 1 (homéodomaine de type TALE : three amino-acid loop extension). Cette caractéristique rapproche les protéines PBC de la protéine à

homéodomaine MATα2 impliquée

dans la détermination du type conju-gal de la levure Saccharomyces cerevi-siae. Les données génétiques et bio-chimiques obtenues par un grand nombre de laboratoires convergent vers le modèle d’une fixation coopé-rative des hétérodimères PBC/HOX à la séquence consensus 5’-TGAT(T/G)NA(T/C)-3’, l’homéo-domaine de la protéine PBC se liant à la séquence TGAT et celui de la protéine HOX à la séquence (T/G)NA(T/C). La base située en position 6 du site de liaison semble jouer un rôle fondamental dans le choix de la protéine HOX partici-pant à l’hétérodimère (figure 1). Enfin, le motif YPWM est nécessaire à

la liaison coopérative des deux homéoprotéines à l’ADN.

Afin d’élucider les mécanismes molé-culaires qui sous-tendent la liaison coopérative des hétérodimères PBC-HOX à l’ADN, deux laboratoires viennent indépendamment d’effec-tuer l’analyse cristallographique à haute résolution des complexes ter-naires Exd-Ubx/ADN de drosophile [2] et Pbx1-HoxB1/ADN humain [3]. Les deux structures sont iden-tiques, ce qui démontre une remar-quable conservation de la fonction au cours de l’évolution. Ainsi que les données biochimiques l’avaient sug-géré, les homéodomaines HOX et PBC sont placés tête-bêche, de chaque côté de la double hélice d’ADN qu’ils contactent via leur

hélice α3 (figure 1). Toujours en

accord avec les observations

anté-rieures, l’hélice α3 de la protéine

HOX entre en contact avec l’un des nucléotides situés sur le petit sillon, correspondant au nucléotide 6 du site de liaison. Les deux homéodo-maines ne se touchent pas. Cepen-dant, un repliement de l’homéodo-maine PBC constitué de l’extrémité

amino-terminale de l’hélice α1, des

trois acides aminés caractéristiques des homéodomaines TALE et de l’extrémité carboxy-terminale de

l’hélice α3, permet la formation

d’une poche hydrophobe qui reçoit le motif YPWM de la protéine HOX. La cohésion de cette structure est en partie assurée par une liaison hydro-gène entre le résidu tryptophane (W) et l’un des trois acides aminés de l’insertion TALE. Cette caractéris-tique différencie la famille des pro-téines à homéodomaine PBC des autres protéines TALE, et

notam-ment de MATα2, dans lesquelles les

NOUVELLES

N O U V E L L E S

* Y : tyrosine ; P : proline ; W : tryptophane ; M :

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trois acides aminés TALE ne sem-blent pas jouer de rôle dans l’interac-tion avec les partenaires protéiques. Alors que la structure spatiale des deux homéodomaines reste inchan-gée lors de la formation de l’hétéro-dimère, celle de l’ADN est sensible-ment modifiée, le petit sillon est élargi. Il est possible que le facteur PBC, en modifiant légèrement la structure de l’ADN, facilite la liaison de la protéine HOX. La seule diffé-rence entre les deux analyses cristal-lographiques réside dans le fait que la région carboxy-terminale de la protéine Pbx1, c’est-à-dire les 13 rési-dus situés en aval de l’homéodo-maine, a été conservée [3] ou non [2]. Cette région forme une

qua-trième hélice α qui se replie sur

l’homéodomaine de Pbx1 et le contacte à la fois au niveau de l’hélice 1 et au niveau de l’hélice 3. Ces résidus semblent ainsi jouer un rôle structural en stabilisant l’hélice 3 de l’homéodomaine contre l’ADN, ce qui corrobore les données biochi-miques montrant que l’extension car-boxy-terminale de Pbx1 augmente de 5 fois son affinité pour l’ADN [4]. Globalement, l’analyse cristallogra-phique montre que les interactions protéine-protéine et les interactions protéine-ADN concourent à la forma-tion du complexe ternaire.

Les protéines PBC ont la propriété de choisir leur partenaire d’hétéro-dimérisation en fonction de subtiles différences de la cible génomique et, notamment, en fonction de la base 6 du site de reconnaissance avec laquelle, pourtant, elles n’interagis-sent pas. De plus, les résidus compo-sant le bras amino-terminal de l’homéodomaine des protéines HOX, qui, eux, interagissent avec la base 6, jouent manifestement un rôle in vivo dans la spécificité de la protéine HOX alors que l’analyse cristallographique montre qu’ils n’entrent pas en contact avec la pro-téine PBC. Il est par conséquent improbable que le choix de la cible de l’hétérodimère PBC-HOX soit exclusivement déterminé par la pro-téine PBC. Cela suggère l’interven-tion d’autres co-facteurs. Un certain nombre de données génétiques et biochimiques vont également dans ce sens. Par exemple, chez la droso-phile, le gène homéotique Deformed (Dfd) contrôle son propre taux d’expression par la fixation coopéra-tive d’Exd et Dfd sur la séquence 5’-TGATTAATGG-3’ de son promoteur. In vivo, le remplacement du dinu-cléotide central TA par GG trans-forme le profil d’expression de Dfd en un profil d’expression de type labial, un autre gène Hox, ce qui

sug-gère que ces deux nucléotides inter-viennent dans le choix du recrute-ment d’un hétérodimère Exd-Labial plutôt que d’un hétérodimère Dfd-Exd [5]. Au contraire, in vitro, l’hété-rodimère Exd-Labial se lie à la séquence 5’-TGATTAATGG-3’. D’autres partenaires protéiques inter-agissent donc vraisemblablement avec les complexes PBC-HOX/ADN. D’autres protéines à homéodomaine de type TALE, codées par le proto-oncogène murin Meis1, par homotho-rax (hth), l’orthologue de Meis1 chez la drosophile, par le gène murin Prep1 et par le gène de Caenorhabditis elegans ceh-25 interagissent avec les protéines PBC. La protéine Hth forme un hétérodimère avec Exd en l’absence d’ADN et cette interaction provoque la translocation d’Exd dans le noyau [6]. De cette façon, hth contrôle indirectement l’activité des protéines HOX. Inversement, les gènes Hox contrôlent le niveau d’Exd dans le noyau en agissant sur la trans-cription d’hth. Cela suggère que les rapports stœchiométriques des trois protéines dans le noyau sont fine-ment réglés et jouent un rôle impor-tant. La fonction de translocation nucléaire d’une protéine PBC grâce à l’hétérodimérisation avec une pro-téine de la famille Meis n’a pas été décrite jusqu’à présent chez les mam-m/s n° 8-9, vol. 15, août-septembre 99

TGATKNAY

ACTAMNTR

Figure 1. Représentation schématique d’un complexe ternaire PBC-HOX/ADN. Les homéodomaines correspondent aux acides aminés 1 à 60. α1 : hélice α1 ;α2 : hélice α2 ;α3 : hélice α3 ;α4 : hélice α4 de Pbx1. Contacts entre l’hélice

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mifères. Néanmoins, on sait que Meis1 et Pbx1 peuvent former des hétérodimères au niveau de certaines séquences régulatrices, indépendam-ment des protéines HOX, par exemple au niveau de l’élément régulateur dépendant de l’AMPc du promoteur du gène bovin CYP17 [7]. Très récemment, la démonstration de la fixation de Meis1 au complexe ternaire HoxA9-Pbx2/ADN dans les cellules myéloïdes de souris [8] est venue étayer l’hypothèse d’une parti-cipation générale des protéines Meis/Hth aux complexes transcrip-tionnels PBC-HOX/ADN.

En conclusion, le rôle de facteur de transcription sélecteur joué par les protéines HOX est lié à la formation de complexes multimériques avec d’autres protéines, elles-mêmes à homéodomaine, qui par ailleurs coopèrent à la régulation de certains promoteurs. On peut finalement se demander qui, des protéines PBC/Meis/Hth ou des protéines HOX, sont les co-facteurs. Les

pro-téines HOX n’apporteraient-elles pas seulement l’information de position nécessaire au bon fonctionnement des couples d’homéoprotéines déjà présents ?

1. Gehring WJ, Affolter M, Bürglin T. Homeodo-main proteins. Annu Rev Biochem 1994 ; 63 : 487-526.

2. Passner JM, Ryoo HD Shen L, Mann RS, Aggar-wal AK. Structure of a DNA-bound Ultrabithorax-Extradenticle homeodomain complex. Nature 1999 ; 397 : 714-9.

3. Piper DE, Batchelor AH, Chang CP, Cleary ML, Wolberger C. Structure of a HoxB1-Pbx1 hetero-dimer bound to DNA : role of the hexapeptide and a fourth homeodomain helix in complex for-mation. Cell 1999 ; 96 : 587-97.

4. Green NC, Rambaldi I, Teakles J, Featherstone MS. A conserved C-terminal domain in PBX increases DNA binding by the PBX

homeodo-main and is not a primary site of contact for the YPWM motif of HOXA1. J Biol Chem 1998 ; 273 : 13273-9.

5. Chan SK, Ryoo HD, Gould A, Krumlauf R, Mann RS. Switching the in vivo specificity of a minimal Hox-responsive element. Development 1997 ; 124 : 2007-14.

6. Rieckhof GE, Casares F, Ryoo HD, Abu-Shaar M, Mann RS. Nuclear translocation of extraden-ticle requires homothorax, which encodes an extradenticle-related homeodomain protein. Cell 1997 ; 91 : 171-83.

7. Bischof LJ, Kagawa N, Moskow JJ, et al. Mem-bers of the meis1 and pbx homeodomain protein families cooperatively bind a cAMP-responsive sequence (CRS1) from bovine CYP17. J Biol Chem 1998 ; 273 : 7941-8.

8. Shen WF, Rozenfeld S, Kwong A, Kömüves LG, Lawrence HJ, Largman C. HOXA9 forms triple complexes with PBX2 and MEIS1 in myeloid cells.

Mol Cell Biol 1999 ; 19 : 3051-61.

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Remerciements

À Jean Deutsch pour ses conseils avisés, à Aurore Lopez et Yves Maurin pour leur lecture attentive du manuscrit.

Frédérique Peronnet

UMR Cnrs 7622, Biologie moléculaire et cellulaire du développement, Université Pierre-et-Marie-Curie, 9, quai Saint-Ber-nard, 75252 Paris Cedex 05, France. : 01 40 61 30 46

E-mail : rbanisso@pasteur.fr